STC桥面铺装对大跨悬索桥静动力性能影响研究

李宁波，黄自鹏，李 程，祝新念

(1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海 201620；3.湖南省高速公路集团有限公司，湖南 长沙 410022；4.湖南理工学院 土木建筑工程学院，湖南 岳阳 414006)

目前，我国钢桥桥面铺装分为柔性铺装和刚性铺装两种形式，且以柔性铺装为主[1].柔性铺装材料在物理性能上表现较差，尤其是模量较低，无法满足钢桥桥面抗压强度要求，在后期使用过程中不断暴露出诸如车辙、油斑、脱层及钢桥面板疲劳开裂等各类问题[2～4].新型桥面铺装材料STC 的出现，解决了正交异性钢桥面板桥面铺装易破损、钢结构易疲劳的难题[5].超高韧性混凝土是由水泥、矿物掺合料、细集料、钢纤维和减水剂等材料或由上述材料制成的干混料先加水拌合，经凝结硬化后形成的一种具有高抗弯强度、高韧性、高耐久性的水泥基复合材料(简称STC)[6]，由法国Bouygues 实验室研制的超高强度、超高韧性和高耐久性的水泥基复合材料RPC (Reactive Powder Concrete)改进而来[7，8].与RPC 相比，STC 具有更优异的力学性能.STC 桥面铺装通过拴钉联结方式，在正交异性钢面板上加铺薄层STC 层，将钢桥面转变成钢-STC 组合桥面，从而提高桥面刚度，减小面板和纵横肋在轮载下的应力，大幅降低钢桥面疲劳开裂风险[9].目前，国内采用此种桥面铺装方式的工程已经有成功实例[10～12]，并且有诸多学者对STC 桥面铺装性能进行了相关研究.国内学者多从静力学角度研究钢-STC组合桥面对各类桥梁的影响，但该组合桥面对大跨桥梁结构的静、动力学综合特性的影响却鲜有分析.本文以临岳高速洞庭湖大桥为例，分析STC桥面铺装层对大跨径悬索桥静、动力综合特性的影响，为STC桥面铺装在大跨悬索桥中的应用提供理论依据.

1 工程概况

临岳高速洞庭湖大桥是临岳高速的控制性工程，位于洞庭湖入长江交汇口处的岳阳市七里山，桥位东起岳阳楼区，西接君山区.主桥结构为双塔双跨钢桁加劲梁悬索桥(1480+453.6m)，主梁采用板桁结合钢桁加劲梁，采用STC 桥面铺装.大桥总体布置如图1所示.

图1 临岳高速洞庭湖大桥总体布置

2 桥面铺装方案

为研究STC桥面铺装对大跨悬索桥静、动力特性的影响，本文将STC桥面铺装与常规铺装方案进行对比分析.

常规铺装方案：38mm 沥青玛蹄脂碎石(SMA10)+ 35mm 厚浇筑式沥青混凝土(GA10)+ 甲基丙烯酸类树脂(MMA)防水粘结体系层.

STC桥面铺装方案：12mm 厚钢面板+50mm厚STC层+30 mm 厚SMA-13面层.洞庭湖大桥采用的STC材料特性参数见表1.

表1 STC材料特性参数

3 静力特性分析

3.1 不同铺装方案下桥梁静力特性分析

采用midasCivil 软件进行计算分析，全桥共建立4653个节点，62226个单元，有限元模型如图2所示.

桥梁静力计算考虑恒载和汽车荷载作用，其中恒载包括结构自重和桥面铺装层重量，汽车荷载选用车道荷载.桥梁静力计算结果见表2.

图2 全桥有限元计算模型

由表2可知，与常规铺装技术方案相比，STC 桥面铺装方案在恒载工况条件下，桥面板竖向位移峰值降幅为0.96%，钢桥面板应力峰值降幅为2.80%，吊索拉力峰值、主缆拉力峰值变化较小；在恒载+汽车活载组合工况条件下，桥面板竖向位移峰值降幅为0.43%，钢桥面板应力峰值降幅为7.77%，吊索拉力峰值、主缆拉力峰值变化较小.

表2 桥梁静力计算结果

3.2 STC 桥面铺装厚度变化对静力特性的影响

取不同的STC 铺装层厚度(分别为：0.035 m、0.040m、0.045m、0.050m、0.055m、0.060m)分析STC 铺装厚度变化对桥梁静力特性的影响，计算结果如图3～6 所示.

图3 不同STC 铺装层厚度下桥面竖向位移峰值变化

图4 不同STC 铺装层厚度下吊索最大拉力分布

图5 不同STC 铺装层厚度下主缆最大拉力分布

图6 不同STC 铺装层厚度下钢桥面板应力峰值分布

由图3可知，在恒载工况下条件，桥面板竖向位移峰值随STC 层厚变化呈“V”型分布，STC 层厚度为0.05 m时，竖向位移峰值最小；当STC层厚度低于0.05 m 时，STC层刚度的增加能够抵消该层自重的增加对桥面竖向位移的影响，桥面竖向位移峰值随着层厚的增加呈线性递减趋势；当STC 层厚度超过0.05 m 时，STC 层刚度的增加已不能够抵消该层自重的增加对桥面竖向位移的影响，桥面竖向位移峰值随着层厚的增加呈线性递增趋势.在恒载+汽车活载组合工况条件下，桥面竖向位移峰值随层厚的增加呈线性递减趋势.

由图4可知，在恒载工况与恒载+汽车活载组合工况下，吊索拉力峰值随层厚的增加呈线性递增趋势.

由图5可知，在恒载工况条件下，主缆拉力峰值随层厚的增加呈线性递增趋势.恒载+汽车活载组合工况条件下，主缆拉力峰值随层厚的增加呈线性递减趋势.

由图6可知，在恒载工况与恒载+汽车活载组合工况条件下，钢桥面板应力峰值随层厚的增加均呈线性递减趋势.

4 动力特性分析

桥梁的动力特性反映桥梁结构的刚度，影响着桥梁抗震和抗风稳定等，其自振特性与模态振型更是其他动力分析(如反应谱分析)的根本[13].大跨度悬索桥梁作为一种漂浮式柔性结构，整体刚度受桥面铺装特性的影响不可忽略，因而其模态分析过程比一般结构复杂得多[14].为研究STC层对大跨径悬索桥动力特性的影响，本节采用随机子空间迭代法[15]，取前40 阶振型开展分析、子空间迭代次数为20次、收敛误差取为1.0×10-10，以分析大桥动力特性.

4.1 不同铺装方案下动力特性分析

STC桥面铺装方案(STC桥面铺装厚度为0.05 m)和常规铺装方案下大桥模态结果见表3.

由表3可知，前9阶振型主要分为主梁横弯、竖弯、竖向弯扭、主缆摆动四种类型.加铺STC层提高了加劲梁的刚度，使得悬索桥主跨对称横向摆动的自振频率增加2.82%，主跨反对称横向摆动的自振频率增加5.68%.主梁横弯频率增幅较大，其它振型频率增幅不显著.加铺STC铺装层后前22阶原有振型次序不变，第23 阶时，振型由常规铺装方案23 阶振型的二阶反对称扭转转为STC 桥面铺装方案下的六阶竖弯，桥梁稳定性显著提高.

表3 不同铺装条件下大桥模态

4.2 STC 桥面铺装层厚度变化对桥梁动力特性影响的分析

采用不同厚度的STC 桥面铺装层(厚度分别为：0.035m、0.040m、0.045m、0.050m、0.055m、0.060m)分析STC 桥面铺装层厚度变化对大跨径悬索桥动力特性的影响，分析结果如图7所示.

由图7可知，随着STC 桥面铺装层厚度的增加，主跨自振频率呈现出线性递增趋势，主跨对称横向摆动与主跨反对称横向摆动的自振频率上升趋势较为明显.

图7 各阶自振频率随STC 桥面铺装厚度变化趋势

5 结论

(1)采用STC 桥面铺装方案对于提高大跨径悬索桥整体刚度、改善桥面板应力状态和主要构件受力状态是有效的.在恒载和恒载+汽车活载组合工况条件下，桥面板竖向位移峰值降幅最大可达0.96%；钢桥面板应力峰值降幅最大可达7.77%；吊索、主缆拉力峰值的变化可忽略.

(2)在恒载+汽车活载组合工况下条件，桥面竖向位移峰值随层厚的增加呈线性递减趋势；在恒载工况及恒载+汽车活载组合工况条件下，钢桥面板应力峰值随层厚的增加均呈线性递减趋势.提高STC 铺装层厚度能够增强主梁刚度，有利于改善大跨径悬索桥静力性能.

(3)在恒载工况及恒载+汽车活载组合工况条件下，吊索拉力峰值、主缆拉力峰值随层厚呈线性变化.

(4)加铺STC 铺装层使得悬索桥主跨对称横向摆动的频率增加2.82%，主跨反对称横向摆动的频率增加5.68%，主梁横弯频率增幅较大，其它振型频率增幅不显著.

(5)加铺STC 铺装层后，前22 阶原有振型次序不变，第23 阶时，振型由常规铺装方案23 阶振型的二阶反对称扭转转为STC 桥面铺装方案下的六阶竖弯，桥梁稳定性显著提高.

(6)随着STC 桥面铺装层厚度的增加，自振频率呈线性递增趋势，主跨对称横向摆动与主跨反对称横向摆动的自振频率上升趋势较为明显.